Investigadores del Instituto Tecnológico Technion de Israel han desarrollado un láser óptico coherente y controlable basado en una única capa atómica. Este hallazgo es posible gracias a interacciones coherentes dependientes del espín entre una sola capa atómica y una red de espín de fotones confinada horizontalmente, la última de las cuales soporta estados de valle de espín de alta calidad a través de la división de espín fotónico tipo Rashba de un estado vinculado al continuo.

Publicado en materiales de la naturaleza El logro, que también aparece en el Research Brief de la revista, allana el camino para el estudio de fenómenos coherentes dependientes del espín en sistemas clásicos y cuánticos, abriendo nuevas vías en la investigación fundamental y en dispositivos optoelectrónicos que explotan el espín de electrones y fotones.

¿Podemos aumentar la degradación del espín de las fuentes de luz en ausencia de campos magnéticos a temperatura ambiente? Según el Dr. Rong, «las fuentes de luz fotónica de espín combinan modos ópticos con transiciones electrónicas, proporcionando así una forma de estudiar el intercambio de información de espín entre electrones y fotones y desarrollar dispositivos optoelectrónicos avanzados».

«Para crear estas fuentes, el requisito previo es eliminar la caída del espín entre los dos estados de espín opuestos en sus partes ópticas o electrónicas. Esto generalmente se logra aplicando campos magnéticos bajo la influencia de Faraday o Zeeman, aunque estos métodos generalmente requieren fuertes «Magnetismo» allí Otro método prometedor aprovecha los campos magnéticos artificiales para estados ópticos de división de espín en el espacio de momento, apoyado por el mecanismo de fase geométrica.

«Desafortunadamente, las observaciones anteriores de los estados de división de espín se basaron en gran medida en modos de propagación con factores de baja calidad, que imponen restricciones indeseables a la coherencia espacial y temporal de las fuentes. Este enfoque también se ve obstaculizado por las propiedades controlables por espín de la ganancia masiva del láser por material. indisponibilidad o dificultad. Accesible para el control activo de fuentes, especialmente en ausencia de campos magnéticos a temperatura ambiente.»

Para lograr estados de división de espín de alta calidad, los investigadores construyeron redes de espín fotónico con diferentes propiedades de simetría, que incluyen un núcleo asimétrico reflectante y un revestimiento asimétrico reflectante integrado con WS.₂ Monocapa para crear estados de valle de giro confinados horizontalmente. La red central asimétrica y de inversión utilizada por los investigadores tiene dos propiedades importantes.

1. Un vector reticular recíproco dependiente del espín controlable debido a las geometrías variables en el espacio de nanoporos heterogéneos anisotrópicos. Este vector divide la banda degenerada por espín en dos ramas polarizadas por espín en el espacio de impulso, y se conoce como efecto fotónico Rashba.
2. Un par de estados correlacionados (cuasi) con alta simetría Q en el continuo, es decir, estados ópticos de valle de espín ± K (ángulos de zona de Brillouin), en los bordes de las bandas de las ramas de división de espín. Además, los dos estados forman un estado de superposición coherente de igual amplitud.

El profesor Coren señaló que “usamos WS₂ Monocapa como material de ganancia Debido a que el calcogenuro de metal de transición de banda prohibida directa posee pseudopins de valle únicos, que han sido investigados exhaustivamente como un portador de información alternativo en Valleytronics. Específicamente, los excitones del valle ±K’ (que irradian como emisores dipolos en el plano polarizados por espín) pueden excitarse selectivamente mediante luz polarizada por espín de acuerdo con la regla de selección paradójica del valle, lo que permite el control activo de fuentes de luz ópticas de espín sin campos magnéticos. «.

En microcavidades compactas de valle de espín monocapa, los excitones del valle de ±K’ se acoplan a los estados del valle de espín ±K debido a la coincidencia de polarización, y los láseres de excitación óptica a temperatura ambiente se logran mediante una fuerte retroalimentación óptica. Mientras tanto, los excitones del valle ±K’ (inicialmente sin correlación de fase) son activados por el mecanismo láser para encontrar el estado de pérdida mínima del sistema, lo que hace que restablezca la correlación de fase bloqueada según las fases geométricas opuestas ±K de Los estados de Spin Valley.

La coherencia del valle impulsada por el mecanismo láser elimina la necesidad de temperaturas frías para suprimir la dispersión en el tiempo. Además, el estado de pérdida mínima del láser Rashba monocapa se puede regular hasta que se satisface (se rompe) mediante polarización de bomba lineal (circular), lo que proporciona una forma de controlar la intensidad del láser y la coherencia espacial.

«El efecto fotónico de valle de espín Rashba revelado proporciona un mecanismo general para construir fuentes de luz fotónica emisoras de superficie. La coherencia del valle demostrada en la cavidad monocapa compacta del valle de espín representa un paso hacia la realización del entrelazamiento de excitones de valle ± K’ para el cuanto. Información a través de Qubits», explica el profesor Hassanan.

«Durante mucho tiempo, nuestro grupo ha estado desarrollando ópticas de espín para aprovechar el espín fotónico como una herramienta eficaz para controlar el comportamiento de las ondas electromagnéticas. En 2018, nos atrajeron al cañón en materiales bidimensionales y así iniciamos un largo plazo proyecto para estudiar el control activo de fuentes de luz óptica a escala atómica. En ausencia de campos magnéticos, inicialmente abordamos el desafío de capturar la fase geométrica coherente de excitones de valle individuales utilizando el modo de defecto de fase Berry no local».

Sin embargo, la adición fundamental y coherente de múltiples excitones de valle a las fuentes de luz Rashba monocapa realizadas seguía sin resolverse debido a la falta de un fuerte mecanismo de sincronización entre los excitones. Este problema nos inspiró a pensar en modos ópticos Rashba de alta calidad. métodos, hemos logrado láseres Rashba monocapa descritos aquí.»

Este logro allana el camino para el estudio de fenómenos coherentes dependientes del espín en sistemas tanto clásicos como cuánticos, abriendo nuevas vías en la investigación fundamental y en dispositivos optoelectrónicos que explotan el espín de electrones y fotones.

El estudio se llevó a cabo dentro del grupo de investigación del Prof. Erez Hashman, Jefe del Laboratorio de Fotónica Atómica, en colaboración con el Prof. Elad Koren, Jefe del Laboratorio de Materiales y Dispositivos Nanoelectrónicos del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, y el Prof. Ariel Ismach de la Universidad de Tel Aviv.

Los dos grupos están en el Technion en colaboración con el Centro Cuántico Helen Deller y el Instituto Russell Perry de Nanotecnología (RBNI). La investigación fue realizada y dirigida por el Dr. Qixiu Rong, quien colaboró ​​con el Dr. Xiaoyang Duan, el Dr. Bo Wang, el Dr. Vladimir Kleiner, el Dr. Asil Cohen y el Dr. Pranab K. Mohapatra, Dr. Avinash Bachcha, Dr. Subrajit Mukherjee, Dror Reichenberg, Chih Li Liu y Vlady Gorovoy.

La fabricación se llevó a cabo en MNF&PU en Technion.